(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高窒素を含有する金属球の製造方法において、
所定質量の原料片を準備するステップと、
窒素を２体積％以上含むプラズマ動作ガスと高周波誘導コイルから発生する高周波エネルギとによりプラズマ炎を形成するとともに、プラズマ発生空間の窒素濃度を２体積％以上にするステップと、
前記原料片を、前記プラズマ炎中に投入し、溶融させて球状化させるステップと、
前記溶融して球状化した原料を凝固させるステップとを含み、
前記球状化させるステップ及び前記凝固させるステップにより、窒素を前記金属球に導入することを特徴とする高窒素を含有する金属球の製造方法。
【請求項２】
前記金属球に窒素を０．１質量％以上導入させることを特徴とする請求項１に記載の金属球の製造方法。
【請求項３】
前記原料片を準備するステップが、鋼線を所定の間隔で切断して原料片とするステップを含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の金属球の製造方法。
【請求項４】
前記原料片の長さＬと直径φの比が、０．５≦Ｌ／φ≦２．０であることを特徴とする請求項３に記載の金属球の製造方法。
【請求項５】
前記原料片が、マルテンサイト系ステンレス鋼またはオーステナイト系ステンレス鋼であることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の金属球の製造方法。
【請求項６】
前記原料片が、Ｃｒを１１〜２０質量％含むことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載された金属球の製造方法。
【請求項７】
前記金属球の直径が０．３〜２．０ｍｍの範囲である請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載された金属球の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、転がり軸受等に使用される転動体にも好適な高窒素を含有する金属球の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、転がり軸受に用いる転動体の強度や耐食性を更に向上させるための材料として、鉄鋼材料の分野では、高窒素含有ステンレス鋼が提案されている（例えば非特許文献１）。この高窒素含有ステンレス鋼とは、従来のマルテンサイト系ステンレス鋼に窒素を、０．１〜０．４質量％程度含有させることにより、強度や耐食性を向上できることが知られている。
高窒素含有ステンレス鋼を製造する方法としては、例えば、非特許文献１に開示されるように、溶解時に窒素源として窒素化合物を添加して加圧溶解する加圧式エレクトロスラグ再溶解法や、鋼材を１０００℃以上の窒素ガス雰囲気中に保持することで、窒素原子を固相内へ拡散させ高窒素化を図る固相窒素吸収法等、特殊な処理が必要とされる。
このような高強度で耐食性に優れる高窒素含有ステンレス鋼でなる金属球を製造するためには、先ず、上述した非特許文献１に開示される特殊な処理を必要とする高窒素含有ステンレス鋼の鋼塊に鍛造や圧延といった塑性加工を繰り返し行い、細線を製造しなければならず、細線の製造だけでも高価となる。その上、細線とした原料を、一定の長さに切断したピースを両側から半球状の球座をもつ雌、雄の金型で圧縮して球形に成形し、次に２枚の硬質鋳物盤の間に挟んで圧力をかけて転動させ、バリを除去した後、組織調整のための熱処理を行い、多大な精密研磨過程を経て製造する必要がある（例えば、非特許文献２）。このように、高窒素含有ステンレス鋼からなる金属球を製造するためには、多大な工程が必要となりコストが高い。【０００３】
一方、転動体などに用いられる微小金属球の製造方法の一つに、線材とした原料を、一定の間隔で切断して原料片とし、プラズマ炎中に導入することにより、一旦溶融した後に凝固させる球状の微小金属球を製造する方法がある。この微小金属球の製造方法は、素球製造の工数を大幅に省略することができ、経済的な方法とされている（例えば、特許文献１参照）。
ただし、特許文献１に開示される方法は、転動体用の微小金属球として一般的である高炭素クロム軸受鋼（例えばＳＵＪ２鋼（１．０質量％Ｃ−１．５質量％Ｃｒ））や、マルテンサイト系ステンレス鋼（例えばＳＵＳ４４０Ｃ鋼（１．２質量％Ｃ−１７質量％Ｃｒ））にしか対応できていない。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】２００６年度物質材料アウトルック（インターネット＜ＵＲＬ：  ｈｔｔｐ：／／ｅ−ｍａｔｅｒｉａｌｓ．ｎｅｔ／ｏｕｔｌｏｏｋ／ＯＵＴＬＯＯＫ２００６／ＯＬ２００６＿ｃａｐ／ｃａｐ３−５−７ｃ．ｐｄｆ＞）
【非特許文献２】株式会社天辻鋼球製作所ホームページ（２００９）（インターネット＜ＵＲＬ：  ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ａｋｓｂａｌｌ．ｃｏ．ｊｐ／ｓｅｉｒ．ｈｔｍ＞）
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２４９５４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した特許文献１に開示される微小金属球の製造方法は、素球製造の工数を減らし、研磨をすることにより、例えば転動体などに用いられる微小金属球を経済的に低コストで製造することでは有利である。しかしながら、特許文献１に開示されるプロセスでは、原料の線材と同じ合金組成を有する金属球の製造に限られており、高強度で耐食性に優れる高窒素含有ステンレス鋼からなる微小金属球を製造するには、予め高窒素を含有した高価な線材の製造が必要である。これでは、上述した窒素を添加するための精錬や加工工程が必要となり、コストが嵩み、トータルのコストメリットは小さい。
本発明の目的は、高価な高窒素含有ステンレス鋼の線材を用いることなく、低コストな窒素を含有しない安価な合金組成の鋼線を原料片としても、プラズマによる金属球の製造と同時に、窒素を合金元素として添加することのできる金属球の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者等は、金属球に窒素を添加する製造方法を鋭意的に研究し、プラズマ発生空間に窒素を２体積％以上含むガスを用いることで、窒素を含有しない安価な合金組成の鋼線を原料片としても、窒素が合金元素として添加された金属球を低工数で得ることができることを見いだし、本発明に到達した。
すなわち、本発明に係る高窒素を含有する金属球の製造方法は、所定質量の原料片を準備するステップと、プラズマ動作ガスと高周波誘導コイルから発生する高周波エネルギによりプラズマ炎を形成するとともに、プラズマ発生空間の窒素濃度を２体積％以上にするステップと、原料片をプラズマ炎中に投入し溶融させて球状化させるステップと、溶融して球状化した原料を凝固させるステップとを含む。球状化させるステップおよび凝固させるステップを通じて、窒素が金属球に導入される。
本発明の金属球の製造方法では、プラズマ動作ガスに窒素を２体積％以上含むことが好ましい。
この本発明の金属球の製造方法では、金属球に窒素を０．１質量％以上導入させることが好ましい。
また、原料片としては、鋼線を所定の間隔で切断して原料片としたものが好ましい。原料片の長さＬと直径φの比は、０．５≦Ｌ／φ≦２．０であることが好ましい。
また、原料片は、マルテンサイト系ステンレス鋼またはオーステナイト系ステンレス鋼であることが好ましく、Ｃｒを１１〜２０質量％含むことが好ましい。
また、金属球の直径は、０．３〜２．０ｍｍの範囲であることが好ましい。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、窒素を含有しない安価な合金組成の鋼線を原料片としても、高窒素を含有する金属球を得ることができ、高強度で耐食性に優れる金属球を低コスト、かつ効率的に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の金属球の製造方法の一例を示す模式図である。
【図２】本発明の製造方法で得られた金属球の一例を示す走査型電子顕微鏡写真である。
【図３】本発明の製造方法で得られた金属球の別の例を示す走査型電子顕微鏡写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
上述したように、本発明は、プラズマ発生空間の窒素濃度を２体積％以上含むガスを採用する。本発明者等は、プラズマ炎中に添加した窒素ガスは一部活性化し、プラズマ処理中に液滴状態となった原料への窒素添加を実現することを見出した。以下、本発明の金属球の製造方法について詳細に説明する。
【００１１】
本発明は、所定質量の原料片をプラズマ炎に導入し、溶融した液滴は、落下中に表面張力により球状化、凝固させて金属球を得るものである。原料片は、鋼線を所定の間隔に切断して製作できるが、その他の原料片でもよい。図１に本発明に用いられるプラズマ装置構成の一例を示す。プラズマ炎６は、冷却壁１の外側に設けた高周波コイル３の軸線方向の一方から、例えば窒素を２体積％以上含むプラズマ動作ガスを供給部４から供給し、高周波コイル３に電圧をかけることで、高周波コイル３の内側の冷却壁１で仕切られたプラズマ発生空間２に発生させる。また、プラズマ炎６下部に設けた反応ガス供給部５より、反応ガスを供給することで、プラズマ炎６の尾部の伸長の調整や得られる金属球の冷却速度を調整する。
【００１２】
次いで、発生させたプラズマ炎６に、原料片供給ノズル７からキャリアガスとともに原料片を投入する。プラズマ炎６中に投入した原料片は、プラズマ炎６の温度自体が５０００〜１００００Ｋ程度であるため、原料片が高温部に曝されることで瞬時に溶融し、チャンバ８の領域で表面張力により球状化させ、さらに凝固させた金属球を回収容器１０で回収する。尚、製造中には、排気装置９によりチャンバ８内の排気を行う。
本発明では、高強度で耐食性に優れる窒素を含有した金属球を得るために、プラズマ発生空間の窒素濃度を２体積％以上にする必要がある。これは、プラズマ発生空間の窒素濃度が２体積％未満であると、得られる金属球への窒素添加を実現することが困難となるためである。
ここで、プラズマ発生空間とは、プラズマ炎およびプラズマ炎を取り巻く空間のことであり、プラズマ発生空間の窒素濃度を２体積％以上にするには、チャンバ内に供するガス、すなわちプラズマ動作ガス、反応ガス、およびキャリアガスの総供給量に占める窒素の割合が２体積％以上となるように調整することにより可能となる。
一具体例として、プラズマ動作ガスが窒素５０体積％以上含むことができる。プラズマ動作ガスが窒素５０体積％以上の場合、通常の反応ガス、およびキャリアガスであれば、プラズマ発生空間窒素濃度を２体積％以上にでき、金属球に窒素を導入することが可能になる。
【００１３】
また本発明の金属球の製造方法では、プラズマ動作ガスに窒素を２体積％以上含むことが好ましい。尚、プラズマ動作ガスに窒素は必須ではなく、窒素以外のプラズマ動作ガスとしては、不活性ガスである、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ、Ｒｎの希ガスに加え、Ｈ２などのガスが適用できる。これらのガスをプラズマ動作ガスに適用することで、処理中のプラズマ炎６の安定化を図ることができる。また、プラズマ動作ガスにＨ２を適用すると、プラズマ炎６の温度をより高めることができ、原料片に含まれる不純物の蒸発を促進しやすく、より高い球状化効果が期待できる。反応ガスにおいても窒素以外のガスとしては、不活性ガスである、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ、Ｒｎの希ガスに加え、Ｈ２などのガスが適用できる。
【００１４】
本発明は、原料片として、所定の間隔で切断した鋼線を用いることができる。本発明でいう鋼線には、マルテンサイト系ステンレス鋼、オーステナイト系ステンレス鋼などのステンレス鋼またはその他材料が適用できる。ベアリング等の転動体用の用途には、耐食性および炭化物形成による耐摩耗性を得るため鋼線にＣｒを１１〜２０質量％含ませることが好ましい。本発明で用いる原料片としての鋼線は、もちろん予め窒素を含有した鋼線を用いても、高強度で耐食性に優れる金属球を得ることが可能である。しかしながら、本発明では、窒素を含有しない安価な合金組成の鋼線を原料片としても、プラズマ発生空間の窒素濃度を２体積％以上含有させることで、プラズマ炎に投入されて液滴状態となった原料への窒素添加を行うことができ、高強度で耐食性に優れる金属球を得ることができる。鋼線を所定の間隔で切断して原料片とすることにより、原料片の個々の体積が一定となり、直径が一定した金属球を得ることができる。
尚、実際の生産では、原料片を纏めてかつ連続的に導入し、原料片のそれぞれを球状化、凝固させることが好ましい。
【００１５】
本発明で原料片をプラズマ炎中に投入して溶融した液滴は、落下中に表面張力により球状化し、凝固させることにより高い真球度の金属球を得ることができる。
また、液滴の球状化処理中の雰囲気は、プラズマ動作ガスと同じでもよいが、不活性ガスである、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ、Ｒｎの希ガスを用いることで、酸化防止に有効である。
また、球状化処理後の液滴を凝固させる雰囲気には、水等の液体冷媒の使用も可能である。
【００１６】
本発明の金属球の製造方法では、金属球に窒素を０．１質量％以上導入させることが好ましい。これは、合金組成として窒素が強度や耐食性を向上する効果を発揮するためには、得られる金属球の窒素含有量が０．１質量％以上であることが望ましいためである。
【００１７】
本発明で用いる原料片は、原料片の長さＬと直径φの比が０．５≦Ｌ／φ≦２．０であることが好ましい。これは、Ｌ／φ比が０．５未満である場合には、原料片の直径φが長さＬに対して大きくなり、高温プラズマ炎域での短い滞在時間では十分な溶融ができず、球状化が困難となるためである。一方、Ｌ／φ比が２．０を超える場合には、原料片の長さＬが直径φに対して長くなり、上述した理由と同様に球状化が困難となる。よって、原料片の長さＬと直径φの比が０．５≦Ｌ／φ≦２．０であると、高温プラズマ炎域での短い滞在時間であっても球状化がより容易になり、真球度の高い金属球が得られる。また、より高い真球度を得るためには、Ｌ／φ比は約１．０が好ましい。
また、本発明の金属球の製造方法は、直径が０．３〜２．０ｍｍの金属球に最適である。直径が２．０ｍｍを超える場合には、プラズマ炎で球状化する原料片は、高温プラズマ炎域での滞在時間が短いため、プラズマ炎と原料片の熱交換時間が限られ、原料片は充分な溶融ができず、安定した球状の金属球を得ることが困難である。このため、金属球の直径は２．０ｍｍ以下が好ましい。一方、粒径が小さいほどプラズマ処理による溶融球状化は容易であるが、原料片となる鋼線を得るための工数が増大するため、金属球の直径は０．３ｍｍ以上が好ましい。
【実施例１】
【００１８】
実施例では、図１に示す誘導結合型ＲＦプラズマトーチで構成される交流熱プラズマ装置を用いて金属球を製造した。先ず、原料片として、直径φが０．５ｍｍで、０．０７７質量％Ｃ−８．０質量％Ｎｉ−１８．２質量％Ｃｒ、残部主としてＦｅからなるステンレス鋼線を、長さＬが０．６ｍｍ（Ｌ／φ＝１．２）となるように所定の間隔で切断した原料片を準備した。
次いで、図１に示すように、高周波コイル３の軸線方向の一方から動作ガス供給部４よりプラズマ動作ガスとしてＮ２ガスを１６０Ｌ／ｍｉｎ（ｎｏｒ）、Ａｒガスを４０Ｌ／ｍｉｎ（ｎｏｒ）混合したガスを供給して、高周波コイル３の内側の冷却壁１で仕切られたプラズマ発生空間２にプラズマ炎５を発生させた。このとき、プラズマ出力は１００ｋＷとした。
次いで、原料片供給ノズル７からキャリアガスとしてのＡｒガス４０Ｌ／ｍｉｎ（ｎｏｒ）とともに原料片を供給速度３０ｇ／ｍｉｎで供給してプラズマ炎６中に投入した。このときのプラズマ炎６の発生空間の窒素濃度は、６６．７体積％であった。プラズマ炎６中に投入して溶融した液滴は、内径が４００ｍｍ、高さが３３００ｍｍのチャンバ８内のＮ２およびＡｒの混合ガスの雰囲気中を落下し、表面張力により球状化され、回収容器１０内の水により冷却し凝固させ金属球を得た。このとき、排気装置９でチャンバ８内を排気しながら処理した。【００１９】
得られた金属球の窒素含有量を不活性ガス溶解熱伝導法で分析した。その結果を表１に示す。表１に示す分析結果より、原料片に対し、得られた金属球には０．１質量％以上の窒素を導入させることができた。
また、図２に得られた金属球の外観の走査型電子顕微鏡写真を示す。本発明の金属球の製造方法によれば、図２に示すように、金属球を得ることができることを確認できた。【００２０】
【表１】
0005599871.tif 000002
【実施例２】
【００２１】
実施例２では図１に示す誘導結合型ＲＦプラズマトーチで構成される交流熱プラズマ装置を用いて金属球を製造した。先ず、原料片として、直径φが０．１ｍｍで、０．０２６質量％Ｃ−９．９８質量％Ｎｉ−１８質量％Ｃｒ、残部主としてＦｅからなるステンレス鋼線を、長さＬが０．１ｍｍ（Ｌ／φ＝１．０）となるように所定の間隔で切断した原料片を準備した。その他の原料片として、直径φが０．１ｍｍのステンレス鋼球状粉を準備した。
次いで、図１に示すように高周波コイル３の内側の冷却壁１で仕切られたプラズマ炎６が発生する空間に、高周波コイル３の軸線方向の一方から動作ガス供給部４よりＮ２ガスおよびＡｒガスの混合ガスを供給し、また反応ガス供給部５よりＮ２ガスまたはＡｒガスを供給した。条件により反応ガス供給部５からのガス供給をしない実験も行った。このとき、プラズマ出力は３０ｋＷとした。
次いで、原料片供給ノズル７からキャリアガスとしてのＡｒガス５Ｌ／ｍｉｎ（ｎｏｒ）とともに原料片を供給してプラズマ炎６中に投入した。プラズマ炎６中に投入して溶融した液滴は、内径が３００ｍｍ、高さが９００ｍｍのチャンバ８内のＮ２およびＡｒの混合ガスの雰囲気中を落下し、表面張力により球状化され、回収容器１０で金属球を得た。このとき、排気装置９でチャンバ８内を排気しながら処理した。表２にそれぞれの実験条件を示す。これらの条件により得られた金属球の窒素含有量を不活性ガス溶解熱伝導法で分析した。その結果を表３に示す。【００２２】
【表２】
0005599871.tif 000003
【００２３】
【表３】
0005599871.tif 000004
【００２４】
表３に示す分析結果より、プラズマ発生空間に窒素濃度２体積％以上を含むガスを使用することで、原料片に対し、得られた金属球には０．１質量％以上の窒素を導入させることができた。
また、図３に得られた金属球の外観の走査型電子顕微鏡写真を示す。本発明の金属球の製造方法によれば、図３に示すように、金属球を得ることができることを確認できた。【００２５】
以上述べたように、本発明による高窒素を含有する金属球の製造方法の構成を一例として説明したが、この構成に限定されるものではなく、請求の範囲から離脱することなく種々の変更が可能であることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００２６】
１  冷却壁
２  プラズマ発生空間
３  高周波コイル
４  動作ガス供給部
５  反応ガス供給部
６  プラズマ炎
７  原料片供給ノズル
８  チャンバ
９  排気装置
１０  回収容器
【図１】
0005599871.tif 000005
【図２】
0005599871.tif 000006
【図３】
0005599871.tif 000007